CN104931195A - 高精度光纤压力传感器件标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度光纤压力传感器件标定装置，包括底座、框架上平板、支撑杆、调节垫块、加载杆、上调节螺母、下调节螺母、导向杆、加载板、直线轴承、安装夹具、力传感器和位移传感器，加载杆通过上调节螺母和下调节螺母安装于框架上平板上，力传感器安装于加载杆的下端和加载板之间，位移传感器安装于加载板和调节垫块之间。本发明还公开了一种高精度光纤压力传感器件标定装置采用的标定方法，包括以下步骤：测量加载体自重；让被测试件承受加载体自重；增加载荷；减小载荷；解除压力，完成一次完整的进程和回程标定。本发明可为被测光纤压力传感器件提供多点压力标准值，具有精度高、体积小、操作简便、载荷范围宽、载荷大小可调的优点。

Description

高精度光纤压力传感器件标定装置及标定方法

技术领域

本发明涉及一种光纤压力传感器件标定装置，尤其涉及一种为获取光子晶体光纤压力传感器件输出特征光谱和压力标准值对应关系而设计的高精度光纤压力传感器件标定装置及标定方法。

背景技术

在兵器工程、航空航天领域，层间压力是需要在线监测的重要数据之一，但是某些试验件内部结构十分紧凑，使用传统的压力传感器难以实现这类狭小空间内的层间压力监测，特别是在易燃易爆的场所，可靠的检测技术对确保人员和产品安全意义重大。尤其对于预紧组合结构件，是一种具有几种不同材质及不规则几何形状的部件组合在一起的紧密结构，部件间间隙只有几百微米，在某些应力集中的地方夹一层如海绵橡胶、胶带等缓冲垫层材料。这种结构装配时在外部施加一个预紧力，此预紧力传递到内部组件上形成压力，用于防止其部组件出现滑移、结构失稳等现象，导致整个结构件性能下降，并且预紧结构部组件上下件之间间隙小，普通压力传感器无法安装和测量，所以这种特殊结构件的预紧力监测是个工程难题。

相比普通电子类传感器，光纤类传感器具有尺寸小、精度高、本质安全等优越性能，在以上特殊的场合具有独特的优势。目前光纤压力传感技术大部分研究都基于法布里珀罗干涉仪(FPI)或光纤光栅(FBG)式，两者都能获得光纤轴向压力或应力变化，但当需要横向压力信息时，一般要通过设计特殊的结构，无疑很大程度上增加了探头体积，且很难实现高精度或大压力测量，为此我们研究了基于保偏光子晶体光纤的横向压力检测技术。保偏光子晶体光纤是近年来出现的一种新型材料，相比传统保偏光纤具有更高的压力敏感性，它的出现为层间压力检测技术提供了一条崭新的途径，更加有利于提高测试精度。在光子晶体光纤压力检测技术中传感探头的标定技术是关键技术之一，其准确性直接影响着测量精度。这是因为光纤类传感器属于非标产品，没有现成的国家或行业标准可以参考，更加缺乏合适的标定装置，所以针对它的专用标定装置和标定方法的研究具有重要意义。

传感器的标定，就是通过实验建立传感器输入量和输出量之间的关系，同时也确定出不同使用条件下的误差关系。压力传感器的静态标定，主要指通过一系列的标定曲线得到静态特性指标，如非线性、迟滞、重复性和精度、灵敏度等。从计量学的角度看，测量误差具有相当严格的定义，它表征了测量压力与实际压力之间的差异，一般无法直接获得实际压力，但可以通过采用适当的压力标准加以估计，通常采用精度比被测设备高的仪器作为测量标准，所以高精度的标定装置对评估传感器静态指标有重要意义。

光纤类压力传感器一般与光谱采集分析仪器配套使用，探头所受压力信号通过光谱采集分析仪器转换成光谱信号，所以光纤类传感器的标定即是通过标定装置找到外界压力值与光谱信号的对应关系。以光子晶体光纤压力传感器为例，光谱分析采集仪主要由压力敏感单元、光纤激光器、光耦合器、光电探测器及计算机五部分组成。激光器发出的光经过2×2光纤耦合器以两个相反方向进入压力敏感单元，压力敏感单元与耦合器形成Sagnac干涉环，两路光信号在耦合器处形成干涉光谱，通过耦合器输出给光电探测器，由计算机记录并分析Sagnac干涉环输出光谱的特征峰值的波长偏移值，从而获得施加在传感单元上的压力。压力敏感单元是由保偏光子晶体光纤制成，其内部是一种特殊的多孔结构，由大小不一且按特定规则排列的气孔组成。

光子晶体光纤敏感单元传感原理是，光束从两个相反方向通过Sagnac环，在没有引入外界因素干扰时，两束光之间是固定相位差。但是当敏感单元横向受压后，在光纤截面内会产生应力应变，等效至x、y两个主轴方向上，导致光纤中对应方向折射率变化，其相位差将发生变化。透射干涉谱在相位差变化影响下，干涉谷值尖峰会向某一方向移动，通过寻找波长值移动与标准压力的关系，即可实现对压力的测量。

通过标定实验数据可以获得标准压力与输出干涉谱峰值偏移量之间的对应关系，从而分析出传感单元特性。已有的光纤标定实验装置有两种，一种是采用高精度材料实验机进行压力加载，将材料试验机的加载载荷数据作为标准压力值，其优点是：量程大，可连续加载，具有力控和位控两种加载控制方式，所以可进行压力加载和松弛实验，其力控的精度是0.5％F.S，位移控制精度1％F.S。缺点是：组织实验繁琐，实验次数有限，开支较大，加载装置需要设计专用工装夹具才能进行微细光纤传感器的标定实验。这类装置采用液压控制载荷大小，传递到上加载面给传感器施加压力。传感器粘贴在安装面上，安装面与台体间采用碗状工装夹具连接，虽然可以微调安装面平行度以确保垂直加载，但当被测传感器没安装于加载面中心线上，由于传感器的引入使安装面出现倾斜，安装面一端翘起顶到加载面上，以至于加载于传感器上的力与实际加载力存在偏差；另一种是我们设计的砝码式静态加载装置，设计了导向装置确保加载头垂直于安装平面加载，缺点是加工精度对加载头的导向性能影响大，且只能加载固定载荷，标定样本数受到砝码总量限制，更无法检测材料松弛效应。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种高精度光纤压力传感器件标定装置及标定方法，这种标定装置可实现光纤压力传感器标定所需标准压力值的加载和检测，还可检测粘弹体材料松弛效应。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种高精度光纤压力传感器件标定装置，包括支撑框架、加载体、安装夹具和传感器，所述支撑框架包括底座、框架上平板、支撑杆和调节垫块，横向的所述底座和横向的所述框架上平板之间通过竖向的所述支撑杆连接，横向的所述调节垫块安装于所述底座上并位于中部位置；所述加载体包括加载杆、上调节螺母、下调节螺母、导向杆、加载板和直线轴承，竖向的所述加载杆穿过框架上平板并通过所述上调节螺母和所述下调节螺母安装于所述框架上平板的中部位置，所述上调节螺母和所述下调节螺母分别位于所述框架上平板的上方和下方，竖向的所述导向杆的上段通过竖向的所述直线轴承安装于所述框架上平板上并能上下移动，所述直线轴承穿过所述框架上平板，所述导向杆的下端与横向的所述加载板的上面连接，所述加载板位于所述调节垫块的上方；所述安装夹具安装于所述调节垫块与所述加载板之间并用于安装被测光纤压力传感器件；所述传感器包括一只力传感器和四只位移传感器，所述力传感器的上端与所述加载杆的下端连接，所述力传感器的下端安装在单耳片上，所述单耳片通过插销与双耳片连接，所述单耳片和所述双耳片之间可以绕所述插销摆动，所述双耳片安装于所述加载板的上面，四只所述位移传感器的下端分别安装于所述调节垫块上并位于靠近四角处，四只所述位移传感器的上端分别通过加长杆与所述加载板的下面连接。1只力传感器用于对加载载荷实时测量，4只位移传感器用于对装置加载板的平行度进行检测以确保垂直加载；上述被测光纤压力传感器件一般也称为被测试件。

为了具有更好的稳定性，所述支撑杆为四个且分别安装于所述底座上靠近四角处。

作为优选，所述框架上平板的两端宽度大于其中部宽度形成“工”字型收腰结构，这样不但减轻整体重量，还减少加载时由于其遮挡造成的操作不便，所述导向杆为两个且对称分布于所述加载杆的两侧。

根据实际需要，所述安装夹具为曲面夹具或平面夹具，当所述安装夹具为曲面夹具时，所述曲面夹具包括凸底座和凹盖板，所述凸底座安装于所述调节垫块的上面，所述凹盖板安装于所述加载板的下面；当所述安装夹具为平面夹具时，所述平面夹具放置于所述调节垫块的上面。曲面夹具应用于曲面结构件内的光纤压力传感器标定，平面夹具用于不同敏感长度的光纤压力传感器标定。

作为优选，所述力传感器为S型微型高精度拉压双向力传感器，所述位移传感器为微型高精度差动位移传感器。

作为优选，所述加载杆通过细牙螺纹与所述上调节螺母和所述下调节螺母连接。这样，加载杆可双向精细调节。

一种高精度光纤压力传感器件标定装置采用的标定方法，包括以下步骤：

(1)松掉下调节螺母，旋转并紧固上调节螺母使加载杆带动加载板向上移动，当加载板脱离被测光纤压力传感器件的顶面，即加载板悬空后，被测光纤压力传感器件上方无压力，光谱特征峰值对应于标准零值压力，力传感器输出负电压值，其值对应的压力值是加载板、导向杆、单耳片、双耳片和位移传感器的重量之和；

(2)松掉上调节螺母，加载板逐步下降到被测光纤压力传感器件上，此时被测光纤压力传感器件承受的压力即即上述压力值以及加载杆、上调节螺母和下调节螺母的重量之和，简称为加载体自重重量；

(3)旋转并紧固下调节螺母使加载杆带动加载板向下移动，加载板与调节垫块之间的间距减小，加载载荷逐步增加，可按需求任意调节施加在力传感器上的压力；

(4)旋转并逐步松掉下调节螺母时，施加在力传感器上的压力逐步减小，最后当下调节螺母完全松掉后，被测光纤压力传感器件只承受加载体自重重量；

(5)旋转并紧固上调节螺母直到加载板悬空后，被测光纤压力传感器件承受零压力值，从而完成一次完整的力加载和还原过程，被测光纤压力传感器件进行了一次完整的进程和回程标定，在此过程中除加载体的自重重量外其余压力标准值可根据需要任意调节加载。

本发明的有益效果在于：

本发明针对光纤压力传感器等非标产品的标定难题，提供一种专用标定装置和标定方法，可为被测光纤压力传感器件提供多点压力标准值，始终能够保持载荷垂直、均匀、完全加载于力传感器的探头上，使被测光纤压力传感器件受力与实际加载载荷完全一致，从而确保准确获取光纤压力传感单元输出的特征光谱和压力标准值对应关系，具有精度高、体积小、操作简便、载荷范围宽、载荷大小可任意调节的优点；通过本发明所述高精度光纤压力传感器件标定装置还可以针对预紧组合结构和曲面结构等特殊结构件进行层间压力和材料松弛效应的检测，也可适用于其他薄膜式、薄片式等非标压力传感探头的特性检测；另外，本发明所述高精度光纤压力传感器件标定装置还具有加载时加载板保持垂直加载，力传感器探头的引入不影响加载精度，可以实现不同敏感长度光纤压力传感器的标定，且适用于平面及曲面结构件的优点。

附图说明

图1是本发明所述高精度光纤压力传感器件标定装置的剖视结构示意图；

图2是本发明所述高精度光纤压力传感器件标定装置的凹盖板的剖视图；

图3是本发明所述高精度光纤压力传感器件标定装置的凸底座的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明所述高精度光纤压力传感器件标定装置包括支撑框架、加载体、安装夹具和传感器，所述支撑框架包括底座1、框架上平板14、支撑杆8和调节垫块2，横向的底座1和横向的框架上平板14之间通过四个竖向的支撑杆8连接，四个支撑杆8分别安装于底座1上靠近四角处，横向的调节垫块2安装于底座1上并位于中部位置，通过四对称角上位移传感器监测调节垫块2水平度，并可以通过在调节垫块2下增加微米级厚度的间隙片来调节其平面水平度，框架上平板14的两端宽度大于其中部宽度形成“工”字型收腰结构；所述加载体包括加载杆13、上调节螺母12、下调节螺母20、导向杆11、加载板6和直线轴承9，竖向的加载杆13穿过框架上平板14并通过上调节螺母12和下调节螺母20安装于框架上平板14的中部位置，加载杆13通过细牙螺纹与上调节螺母12和下调节螺母20连接，上调节螺母12和下调节螺母20分别位于框架上平板14的上方和下方，两个竖向的导向杆11的上段分别通过两个竖向的直线轴承9安装于框架上平板14上并能上下移动，直线轴承9穿过框架上平板14，两个导向杆11对称分布于加载杆13的两侧，导向杆11的下端与横向的加载板6的上面焊接连接，加载板6位于调节垫块2的上方；所述安装夹具安装于调节垫块2与加载板6之间并用于安装被测光纤压力传感器件，所述安装夹具为曲面夹具或平面夹具，本例中为曲面夹具，当所述安装夹具为曲面夹具时，所述曲面夹具包括凸底座23和凹盖板22，凸底座23和凹盖板22的截面形状见图2和图3，凸底座23安装于调节垫块2的上面，凹盖板23安装于加载板6的下面，当所述安装夹具为平面夹具时，所述平面夹具放置于调节垫块2的上面即可；所述传感器包括一只力传感器16和四只位移传感器5，力传感器16的上端与加载杆13的下端通过薄螺母15连接，力传感器16的下端安装在单耳片17上，单耳片17通过插销19与双耳片18连接，单耳片17和双耳片18之间可以绕插销19摆动，双耳片18安装于加载板6的上面，四只位移传感器5的下端分别安装于调节垫块2上并位于靠近四角处，四只位移传感器5的上端分别通过加长杆21与加载板6的下面连接。图1中还示出了用于安装支撑杆8的螺母3，用于安装位移传感器5的第一螺栓4，用于安装加长杆21的上螺钉7，用于安装直线轴承9的第二螺栓10，以及安装于加载板6和调节垫块2之间的辅助螺钉24，辅助螺钉24仅用于特别情形，与本发明的创新无关。

上述结构中，整个高精度光纤压力传感器件标定装置的边界尺寸为250mm×150mm×300mm；力传感器16为型号为“EVT-10G-50KG”的S型微型高精度拉压双向力传感器，其精度为0.1％F.S，量程±50kg，满量程输出±5V，非线性误差、迟滞误差、重复性误差均＜0.02％F.S，蠕变误差(30分钟)＜0.03％F.S，温度漂移＜0.03％F.S./10℃，体积50.8mm×12.7mm×64mm，力传感器16的上、下端面具有两个螺纹安装孔；位移传感器5为型号为“CW-2”的微型高精度差动位移传感器，其精度为0.5％F.S，量程±2μm，线性输出±4V，线性误差＜0.3％F.S，重复性误差＜0.05％F.S，迟滞误差＜0.02％F.S，体积Φ10mm×33mm；加载板6的下部设计有光滑圆盘凸台，当对不同长度或者敏感长度的光纤传感器进行测量时，可置换对应直径的平面夹具，被测传感器承受的压力区域即为平面夹具直径；直线轴承9采用LMF10，内径10mm，长度29mm，最大偏心度误差12μm，中间是具有4排滚珠的空心结构，采用2个直线轴承9用于两个导向杆11的导向和定位，保证了导向杆11的运动直线性，同时避免了加载板6摆动，此部件与耳片部件一起可以确保载荷垂直施加于被测光纤压力传感器件上，避免安装被测传感器探头后由于其安装位置不在中心线上而造成加载板6倾斜，克服了只有部分力施加在力传感器16上的弊端；加载杆13设计成扁状结构，穿过框架上平板14中间的腰形孔可防止加载杆13自由转动；单耳片17和双耳片18之间可以绕插销19摆动，防止加载板6安装时不水平造成力传感器16被憋坏的问题；加载杆13通过细牙螺纹与上调节螺母12和下调节螺母20连接，可实现双向精细调节。

结合图1，本发明所述高精度光纤压力传感器件标定装置采用的标定方法，包括以下步骤：

(1)松掉下调节螺母20，旋转并紧固上调节螺母12使加载杆13带动加载板6向上移动，当加载板6脱离被测光纤压力传感器件(一般为光纤压力传感器，图中未示)的顶面，即加载板6悬空后，被测光纤压力传感器件上方无压力，光谱特征峰值对应于标准零值压力，力传感器16输出负电压值，其值对应的压力值是加载板6、导向杆11、单耳片17、双耳片18和位移传感器5的重量之和；

(2)松掉上调节螺母12，加载板6逐步下降到被测光纤压力传感器件上，此时被测光纤压力传感器件承受的压力即上述压力值以及加载杆13、上调节螺母12和下调节螺母20的重量之和，简称为加载体自重重量；

(3)旋转并紧固下调节螺母20使加载杆13带动加载板6向下移动，加载板6与调节垫块2之间的间距减小，加载载荷逐步增加，可按需求任意调节施加在力传感器16上的压力；

(4)旋转并逐步松掉下调节螺母20时，施加在力传感器16上的压力逐步减小，最后当下调节螺母20完全松掉后，被测光纤压力传感器件只承受加载体自重重量；

(5)旋转并紧固上调节螺母12直到加载板6悬空后，被测光纤压力传感器件承受零压力值，从而完成一次完整的力加载和还原过程，被测光纤压力传感器件进行了一次完整的进程和回程标定，在此过程中除加载体的自重重量外其余压力标准值可根据需要任意调节加载。

结合图1，本发明所述高精度光纤压力传感器件标定装置还可以针对预紧组合结构件的缓冲垫层等粘弹性材料的松弛效应进行检测，具体方法如下：加载板6的四个角上分别钻孔并安装有4只位移传感器5，位移传感器5通过上端面的M3螺纹安装孔分别与4个加长杆21连接，调节好位移传感器5的位置，当被测传感器只承受加载体自重时，调节测量量程进入线性输出区域，将每只位移传感器5用两颗内六角螺钉9固定。当施加了一个固定载荷后，将加载杆13上的下调节螺母20固定，此时加载板6的位移保持不变，当安装夹具上安装有缓冲垫层等粘弹性材料时，这个固定载荷会先以较快速度下降然后逐步变缓并趋于平稳，而位移传感器5的输出保持不变，此时通过安装于垫层材料下方的被测光纤压力传感器件和力传感器16都可以监测垫层材料的松弛现象，实现检测预紧组合结构件预紧力变化的目的。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (7)

1.一种高精度光纤压力传感器件标定装置，其特征在于：包括支撑框架、加载体、安装夹具和传感器，所述支撑框架包括底座、框架上平板、支撑杆和调节垫块，横向的所述底座和横向的所述框架上平板之间通过竖向的所述支撑杆连接，横向的所述调节垫块安装于所述底座上并位于中部位置；所述加载体包括加载杆、上调节螺母、下调节螺母、导向杆、加载板和直线轴承，竖向的所述加载杆穿过框架上平板并通过所述上调节螺母和所述下调节螺母安装于所述框架上平板的中部位置，所述上调节螺母和所述下调节螺母分别位于所述框架上平板的上方和下方，竖向的所述导向杆的上段通过竖向的所述直线轴承安装于所述框架上平板上并能上下移动，所述直线轴承穿过所述框架上平板，所述导向杆的下端与横向的所述加载板的上面连接，所述加载板位于所述调节垫块的上方；所述安装夹具安装于所述调节垫块与所述加载板之间并用于安装被测光纤压力传感器件；所述传感器包括一只力传感器和四只位移传感器，所述力传感器的上端与所述加载杆的下端连接，所述力传感器的下端安装在单耳片上，所述单耳片通过插销与双耳片连接，所述单耳片和所述双耳片之间可以绕所述插销摆动，所述双耳片安装于所述加载板的上面，四只所述位移传感器的下端分别安装于所述调节垫块上并位于靠近四角处，四只所述位移传感器的上端分别通过加长杆与所述加载板的下面连接。

2.根据权利要求1所述的高精度光纤压力传感器件标定装置，其特征在于：所述支撑杆为四个且分别安装于所述底座上靠近四角处。

3.根据权利要求1所述的高精度光纤压力传感器件标定装置，其特征在于：所述框架上平板的两端宽度大于其中部宽度形成“工”字型收腰结构，所述导向杆为两个且对称分布于所述加载杆的两侧。

4.根据权利要求1所述的高精度光纤压力传感器件标定装置，其特征在于：所述安装夹具为曲面夹具或平面夹具，当所述安装夹具为曲面夹具时，所述曲面夹具包括凸底座和凹盖板，所述凸底座安装于所述调节垫块的上面，所述凹盖板安装于所述加载板的下面；当所述安装夹具为平面夹具时，所述平面夹具放置于所述调节垫块的上面。

5.根据权利要求1所述的高精度光纤压力传感器件标定装置，其特征在于：所述力传感器为S型微型高精度拉压双向力传感器，所述位移传感器为微型高精度差动位移传感器。

6.根据权利要求1所述的高精度光纤压力传感器件标定装置，其特征在于：所述加载杆通过细牙螺纹与所述上调节螺母和所述下调节螺母连接。

7.一种如权利要求1-6中任何一项所述的高精度光纤压力传感器件标定装置采用的标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)松掉下调节螺母，旋转并紧固上调节螺母使加载杆带动加载板向上移动，当加载板脱离被测光纤压力传感器件的顶面，即加载板悬空后，被测光纤压力传感器件上方无压力，光谱特征峰值对应于标准零值压力，力传感器输出负电压值，其值对应的压力值是加载板、导向杆、单耳片、双耳片和位移传感器的重量之和；

(2)松掉上调节螺母，加载板逐步下降到被测光纤压力传感器件上，此时被测光纤压力传感器件承受的压力即上述压力值以及加载杆、上调节螺母和下调节螺母的重量之和，简称为加载体自重重量；

(3)旋转并紧固下调节螺母使加载杆带动加载板向下移动，加载板与调节垫块之间的间距减小，加载载荷逐步增加，可按需求任意调节施加在力传感器上的压力；

(4)旋转并逐步松掉下调节螺母时，施加在力传感器上的压力逐步减小，最后当下调节螺母完全松掉后，被测光纤压力传感器件只承受加载体自重重量；

(5)旋转并紧固上调节螺母直到加载板悬空后，被测光纤压力传感器件承受零压力值，从而完成一次完整的力加载和还原过程，被测光纤压力传感器件进行了一次完整的进程和回程标定，在此过程中除加载体的自重重量外其余压力标准值可根据需要任意调节加载。